L'efficacité est le mot d'ordre pour les véhicules électriques.

Il existe de nombreuses façons d'améliorer l'efficacité des véhicules électriques, notamment au sein du groupe propulsion, l'un des domaines clés étant l'électronique de puissance.

Parmi ces composants, l'onduleur principal est le plus puissant et offre les meilleures possibilités pour améliorer l'efficacité des véhicules électriques.

L'onduleur principal est chargé de convertir la sortie CC de la batterie en entrée CA pour le moteur électrique.

Ces dernières années, des semi-conducteurs à large bande tels que le carbure de silicium (SiC) ont été adoptés dans les onduleurs des véhicules électriques pour remplacer les transistors bipolaires à grille isolée en silicium (Si IGBT).

L'utilisation du carbure de silicium (SiC) permet d'obtenir des modules d'alimentation à plus haute densité pouvant fonctionner à des températures plus élevées, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en matière de gestion thermique et des matériaux pour l'électronique de puissance des véhicules électriques.

La transition vers le carbure de silicium (SiC)

Malgré l'augmentation du coût des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) en carbure de silicium SiC, leur pénétration sur le marché des véhicules électriques a été importante.

Selon la recherche IDTechEx, en 2020, les onduleurs MOSFET SiC représentaient près de 30 % du marché des véhicules électriques à l'échelle mondiale. Tesla a lancé la tendance en 2018, d'autres comme Byd ont des véhicules sur les routes. Des géants Hyundai Kia incluent l'électronique de puissance SiC dans les nouveaux modèles (Hyundai Ioniq 5 et Kia EV 6) pour aider à activer leurs plateformes haute tension (800 V).

Les défis de la gestion thermique

L'électronique de puissance des véhicules électriques présente des défis intéressants en matière de gestion thermique et l'adoption du carbure de silicium (SiC) modifie plusieurs aspects de la conception des modules et des boîtiers, ainsi que le choix des matériaux.

Dans un boîtier traditionnel d'électronique de puissance, plusieurs points de défaillance potentiels se produisent lors du cycle thermique. Lorsque le boîtier se réchauffe et se refroidit, la différence de dilatation thermique entre les matériaux entraîne la dégradation de diverses connexions, notamment les liaisons filaires, la fixation de la puce et la fixation du substrat. Dans les boîtiers carbure de silicium (SiC), la densité de puissance et la température de fonctionnement peuvent être augmentées de manière significative, ce qui signifie que certaines options traditionnelles ne sont plus adaptées.

Aujourd'hui, les fils d'aluminium sont la technologie d'interconnexion dominante, mais ils constituent un point de défaillance courant.  C'est pourquoi on utilise de plus en plus le câblage en alliage d'aluminium, en cuivre ou même le câblage direct en plomb.

Les matériaux de fixation de puce sont également essentiels. Ils sont généralement réalisés avec une soudure traditionnelle, mais avec des températures de fonctionnement plus élevées (en particulier pour le carbure de silicium SiC), la soudure SAC (étain-argent-cuivre) normale peut s'avérer peu fiable, ce qui a conduit à l'émergence d'alternatives telles que le frittage de l'argent, qui offre de bien meilleures performances en matière de cycle thermique.

Le boîtier Tesla de STMicroelectronics utilise une combinaison de rubans de cuivre et de fils d'aluminium avec frittage d'argent pour sa fixation à la puce. À l'avenir, nous verrons certainement l'adoption de ces options dans les boîtiers d'onduleurs afin de permettre une plus grande fiabilité dans des facteurs de forme plus petits avec un meilleur rendement.

À plus grande échelle, à l'instar de nombreuses batteries de véhicules électriques, l'électronique de puissance des véhicules électriques a tendance à être refroidie par liquide. En général, le liquide de refroidissement passe par les ailettes du dissipateur thermique sous le module. Si cette section de la gestion thermique de l'électronique de puissance n'est pas aussi innovante que les matériaux émergents à l'intérieur du boîtier, elle présente néanmoins des possibilités intéressantes d'intégration dans le véhicule. De nombreux véhicules électriques utilisent le même circuit de refroidissement pour l'électronique de puissance et le moteur électrique. Sur certains modèles de véhicules électriques, la chaleur résiduelle peut être récupérée de la chaîne cinématique pour être utilisée dans le chauffage de l'habitacle, ce qui permet de réduire les pertes et d'améliorer l'autonomie globale du véhicule, notamment par temps froid.

L'évolution de l'électronique de puissance, notamment vers les semi-conducteurs à large bande, transforme la gestion thermique et donc le paysage des matériaux dans l'électronique de puissance des véhicules électriques.

Source : IDTechEx